JP2015013573A

JP2015013573A - 水中移動装置及びその移動方法

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Publication number: JP2015013573A
Application number: JP2013141231A
Authority: JP
Inventors: 勇人森; Isato Mori; 亮介小林; Ryosuke Kobayashi; 岡田　聡; Satoshi Okada; 岡田　　聡; 和正原; Kazumasa Hara; 原　　和正; 敏一菊地; Toshiichi Kikuchi
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-05
Also published as: JP6116411B2

Abstract

【課題】安定して床面または水面から壁面に移動することが可能な水中移動装置を提供する。
【解決手段】水中移動装置５を移動させる推力発生部１５ａ〜１５ｄ、１６ａ、１６ｂを制御する制御部２５と、水中移動装置５の位置と姿勢角（ピッチ角、ロール角、ヨー角）を求める計測器１８ａ、１８ｂ、３２、３３ａ、３３ｂと、水中移動装置５の位置と姿勢角が設定範囲内に収まったことを確認する回転動作判断部２６と、水中移動装置５のピッチ角またはロール角が設定角度に達したことを判定する壁面接面判断部２７を備える。回転動作判断部２６が、水中移動装置５の位置と姿勢角が設定範囲内に収まったことを確認したら、制御部２５は、ピッチ角またはロール角が変化するように水中移動装置５を回転させる。壁面接面判断部２７が、水中移動装置５のピッチ角またはロール角が設定角度に達したと判定したら、制御部２５は、水中移動装置５を回転させながら並進させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、水中遊泳と床面や壁面での走行が可能な水中移動装置とその移動方法に関する。

従来、原子力発電所の原子炉建屋の燃料プールの調査装置として、水中遊泳と、移動対象となる物体の床面や壁面の走行とが可能な遊泳型の水中移動装置が使用されている。水中移動装置は、装置の下面を床面に向けた状態で、床面を走行したり水面や水中に浮上したりすることができる。水中移動装置で撮影した映像を検査員が目視で観察して評価する際には、映像の揺れが問題になる。そのため、物体の床面や壁面に静止することができ、安定した映像の撮影が可能な水中移動装置が望まれている。

特許文献１には、水中移動装置の例として、発電所の海水の取排水路として設けられた暗渠の路面清掃を行う水中ロボットが開示されている。この水中ロボットは、矩形状の水路の床面から壁面に移動する際に、スラスタの自動制御により、装置の下面を床面に向けた状態で暗渠中央部まで浮上し、９０度回転して、下面を壁面に向けた状態で並進して壁面に接面する。

特開２００３−１１８８８号公報

従来の水中移動装置は、特許文献１に開示されているように、移動対象となる物体の床面または水面からその物体の壁面に接面する際に、装置の下面が床面から壁面を向くように９０度回転し、この状態のままで並進する必要がある。燃料プールで使用する水中移動装置は、物体の床面と壁面の走行以外に遊泳も行う必要があるので、装置の下面が床面を向いた状態で安定するように重心と浮心を設定する。このため、装置の下面を壁面に向けた状態では、姿勢が安定しないので、スラスタの推力により安定した姿勢を維持する必要がある。従来技術のように、装置の下面を壁面に向けた状態で壁面に向かって並進する際には、姿勢の安定制御と並進動作を同時に行う必要があるが、これらを両立させるのは極めて困難である。このように、従来の水中移動装置には、移動対象となる物体の床面または水面からその物体の壁面に接面する際に、姿勢が非常に不安定で制御が困難になるという課題が存在する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、安定して床面または水面から壁面に移動することが可能な水中移動装置とその移動方法を提供することを目的とする。

本発明による水中移動装置は、次のような特徴を備える。

水中での移動と物体の壁面と床面での移動とが可能な水中移動装置であって、前記水中移動装置を回転動作と並進動作の少なくとも一方により移動させるための推力を発生する推力発生部と、前記推力発生部を制御する制御部と、前記水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角を求める計測器と、前記水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角が予め設定した範囲内に収まっているかどうかを確認する回転動作判断部と、前記水中移動装置のピッチ角またはロール角が予め設定した角度に達したかどうかを判定する壁面接面判断部とを備える。前記回転動作判断部が、前記水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角が予め設定した範囲内に収まっていることを確認したら、前記制御部は、前記水中移動装置がピッチ角またはロール角が変化する回転をするように前記推力発生部を制御する。前記壁面接面判断部が、前記水中移動装置のピッチ角またはロール角が予め設定した角度に達したと判定したら、前記制御部は、前記水中移動装置が前記回転をしながら並進するように前記推力発生部を制御する。

本発明によれば、安定して床面または水面から壁面に移動することが可能な水中移動装置とその移動方法を提供することができる。

本発明の実施例による水中移動装置の全体システム構成図であり、燃料プール内に配置される構成要素を示す図。本発明の実施例による水中移動装置の全体システム構成図であり、オペレーションフロアに配置される構成要素を示す図。燃料プールの床面に接面している状態の水中移動装置の上面図。燃料プールの床面に接面している状態の水中移動装置の正面図。水中移動装置が床面から壁面に移動する手順を示す図。水中移動装置の機能ブロック図。水中移動装置が床面から壁面に移動する際のパラメータ設定画面を示す図。水中移動装置が床面から壁面に移動する際の各手順における水中移動装置の動作を説明する図であり、位置を定めた水中移動装置を示す図。水中移動装置が床面から壁面に移動する際の各手順における水中移動装置の動作を説明する図であり、浮上を開始するために垂直スラスタが発生した推力を示す図。水中移動装置が床面から壁面に移動する際の各手順における水中移動装置の動作を説明する図であり、水中移動装置が水深の目標値まで浮上した状態を示す図。水中移動装置が床面から壁面に移動する際の各手順における水中移動装置の動作を説明する図であり、水中移動装置が回転しているところを示す図。水中移動装置が床面から壁面に移動する際の各手順における水中移動装置の動作を説明する図であり、水中移動装置が回転しながら壁面へ接面しているところを示す図。水中移動装置が床面から壁面に移動する際の各手順における水中移動装置の動作を説明する図であり、水中移動装置が壁面へ接面するところを示す図。水中移動装置が床面から壁面に移動する際の各手順における水中移動装置の動作を説明する図であり、水中移動装置が壁面に接面している状態を示す図。水中移動装置のヨー角及び水中移動装置と壁面との距離を測定する方法を説明する図。図７Ａのうち、水中移動装置の一部と壁面を拡大して示す図。図３に示した手順のうち、ホバリング工程と回転動作実行判定工程の詳細を示す図。

本発明による水中移動装置は、水中での移動（水中遊泳）と、移動対象となる物体の床面や壁面での移動（走行）とが可能である。そして、装置の下面が床面から壁面を向くように回転して床面または水面から壁面に移動する際に、下面が床面から壁面を向く９０度の回転動作の終了後に並進動作によって壁面へ接面するのではなく、推力発生部（スラスタ）の制御により回転動作中に並進しながら壁面へ接面するので、安定して床面または水面から壁面に移動することができる。

本発明の好適な一実施例による水中移動装置を、図１〜図８を用いて以下に説明する。以下に述べる実施例は、水中移動装置が水中重量を有する場合の例であり、床面から浮上して壁面に接面する。本実施例は、水中移動装置が水中重量を有しない場合、すなわち、水中重量が中性浮力に調整されている水中移動装置の場合にも適用することができる。水中重量が中性浮力に調整されている水中移動装置は、水面に浮上しており、水面から沈んで壁面に接面するので、上下の移動方向を反対にすれば、本実施例の説明を適用できる。

図１Ａ、図１Ｂは、本実施例による水中移動装置の全体システム構成図である。本実施例では、一例として、水中移動装置が原子炉建屋の燃料プールを検査する場合を示す。図１Ａは、水中移動装置のうち、燃料プール内に配置される構成要素を示し、図１Ｂは、水中移動装置のうち、オペレーションフロアに配置される構成要素を示す。水中移動装置は、オペレーションフロアにいる操作員により操作される。

図１Ａに示すように、原子炉建屋の燃料プール１には、燃料を収納した燃料ラック２が貯蔵されている。燃料プール１や燃料ラック２は、水中移動装置５の移動対象となる物体であり、水中移動装置５は、燃料プール１の床面３と壁面４や燃料ラック２の健全性を調査する。なお、図１Ａでは、水中移動装置５の２つの態様、すなわち、床面３に接面している場合と壁面４に接面している場合を示している。水中移動装置５には、ケーブル６が接続されている。

図１Ｂに示すように、水中移動装置５は、ケーブル６の送出しと巻取りを行うケーブルドラム７、制御装置８、電源９、表示装置１０、クローラ用コントローラ１１ａ、スラスタ用コントローラ１１ｂを備える。これらは、オペレーションフロアに配置される。

図２Ａは、燃料プール１の床面３に接面している状態の水中移動装置５を上から見た上面図であり、図２Ｂは、この状態の水中移動装置５を前から見た正面図である。

水中移動装置５は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、制御ボックス１２（詳細は後述する）の左右両側に走行部であるクローラ１３ａ、１３ｂを備え、制御ボックス１２の上部に浮力体１４を備える。

さらに、水中移動装置５は、制御ボックス１２と浮力体１４とに連通して設けられた穴に垂直スラスタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを備え、制御ボックス１２の左右の上方に水平スラスタ１６ａ、１６ｂを備える。垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄは、床面３に垂直な方向への推力発生部であり、水平スラスタ１６ａ、１６ｂは、床面３に水平な方向への推力発生部である。本実施例では、垂直スラスタ１５ａは水中移動装置５の右前側に、垂直スラスタ１５ｂは水中移動装置５の左前側に、垂直スラスタ１５ｃは水中移動装置５の右後側に、垂直スラスタ１５ｄは水中移動装置５の左後側に、水平スラスタ１６ａは水中移動装置５の右側に、水平スラスタ１６ｂは水中移動装置５の左側に、それぞれ設けられている。推力発生部である垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂが発生した推力により、水中移動装置５は、回転動作と並進動作を行って移動することができる。

また、水中移動装置５は、制御ボックス１２の前面に水中カメラ１７を備え、水中カメラ１７の周囲には照明となるＬＥＤが配置されている。水中カメラ１７の左右に計測器であるソナー１８ａ、１８ｂを備える。ソナー１８ａ、１８ｂは、距離ｌ_ｄだけ離れているとする。

水中移動装置５は、図示しないモータがクローラ１３ａ、１３ｂを回転駆動することにより、床面３上を走行することができる。この走行の駆動力は、水中移動装置５の水中重量によって生じる床面３とクローラ１３ａ、１３ｂとの間の摩擦力である。また、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力によりクローラの摩擦力を大きくして走行することも可能である。

水中移動装置５は、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力により、床面３から水中に浮上し、浮上した状態で水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力が追加されることにより、前後進と旋回の遊泳動作をすることができる。そして、後で詳述するが、水中移動装置５は、水中で浮上した状態で、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂとが制御されることにより、水中移動装置５の下面が床面３から壁面４を向くような回転動作を行いながら並進し、壁面４に接面する。壁面４に接面した水中移動装置５は、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力により壁面４に押し付けられて壁面４とクローラ１３ａ、１３ｂとの間に摩擦力が生じ、クローラ１３ａ、１３ｂが回転駆動すると、壁面４上を走行することができる。

水中移動装置５に接続されたケーブル６は、遊泳時の水中移動装置５の移動を妨げないように中性浮力化されることが望ましく、直径を細くするために２芯の電源線と通信線の各１本で構成されるほうがよい。

このような移動機能を備えた水中移動装置５を用いて、水中カメラ１７が撮影した映像を基に、燃料プール１の床面３や壁面４の目視検査を行う。ソナー１８ａ、１８ｂは、これから詳述する水中移動装置５の床面３から壁面４への移動に際し、水中移動装置５と壁面４との距離の測定に使用する。

図３〜図８を用いて、水中移動装置５が、姿勢を回転しながら（すなわち、水中移動装置５の下面が床面３から壁面４を向くように回転しながら）、床面３から壁面４に接面する方法について説明する。図３は、水中移動装置５が床面３から壁面４に移動する手順を示す図である。図４は、水中移動装置５の機能ブロック図である。図５は、水中移動装置５が床面３から壁面４に移動する際の制御パラメータを設定する画面（パラメータ設定画面５０）を示す図である。図６Ａ〜図６Ｇは、水中移動装置５が床面３から壁面４に移動する際の各手順における水中移動装置５の動作を説明する図である。図７Ａ、図７Ｂは、水中移動装置５のヨー角及び水中移動装置５と壁面４との距離を測定する方法を説明する図であり、水中移動装置５の上面図である。図７Ｂは、図７Ａのうち、水中移動装置５の一部と壁面４を拡大して示している。図８は、図３に示した手順のうち、ホバリング工程と回転動作実行判定工程の詳細を示す図である。

図４に示したように、水中移動装置５の制御装置８は、パラメータ設定部２１、データ送受信部２２、及びデータ記憶部２３を備え、水中移動装置５の制御ボックス１２は、データ送受信部２４、スラスタ制御部２５、回転動作判断部２６、壁面接面判断部２７、クローラ制御部２８を備える。スラスタ制御部２５は、垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと水平スラスタ用サーボアンプ３１ａ、３１ｂを制御し、クローラ制御部２８は、クローラ用サーボアンプ２９ａ、２９ｂを制御する。垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄは、それぞれ垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ〜３０ｄにより駆動され、水平スラスタ１６ａ、１６ｂは、それぞれ水平スラスタ用サーボアンプ３１ａ、３１ｂにより駆動される。クローラ１３ａ、１３ｂは、それぞれクローラ用サーボアンプ２９ａ、２９ｂにより駆動される。

また、水中移動装置５の制御ボックス１２は、計測器である水深計３２、傾斜計ｘ３３ａ、及び傾斜計ｙ３３ｂをさらに備える。さらに、水中移動装置５の制御ボックス１２は、映像取得部３４を備え、映像取得部３４は、水中カメラ１７が撮影した映像を取得する。この映像は、表示装置１０で表示され、検査員が観察することができる。また、図示しないが、水中カメラ１７は、状況に応じて、水中移動装置の上面や後方に追加してもよい。

水中移動装置５の位置は、ソナー１８ａ、１８ｂと水深計３２により求めることができ、水中移動装置５のロール角とピッチ角は、それぞれ傾斜計ｘ３３ａと傾斜計ｙ３３ｂにより求めることができる。水中移動装置５のヨー角は、後述するように、ソナー１８ａ、１８ｂの測定値から求めることができる。また、図示しないが、水中移動装置５の両側面にそれぞれソナーを配置し、壁面との距離を測定して、燃料プール１内での位置を認識することも可能であるし、ソナーを水中移動装置５の前面と同様に側面に２箇所配置して、ヨー角と壁面との距離を測定することも可能である。

図５に示したようにパラメータ設定画面５０は、スラスタ推力指令値設定部５１と計測器目標値設定部５５を有する。パラメータ設定画面５０は、制御装置８が表示装置１０に表示する。

水中移動装置５が床面３から壁面４に移動して接面する手順を説明する。本実施例では、水中移動装置５が、前面が壁面４を向いている状態から下面が壁面４を向く状態へ回転して（すなわち、ピッチ角が変化して前面が上を向くように回転して）壁面４へ接面する場合を例に挙げて説明する。水中移動装置５が、一方の側面が壁面４を向いている状態から下面が壁面４を向く状態へ回転して（すなわち、ロール角が変化して一方の側面が上を向くように回転して）壁面４へ接面する場合には、必要に応じてピッチ角とロール角との読み替えなどをして回転の向きを読み替えることで、以下の説明を適用することができる。

初めに、図３に示すパラメータ設定工程１００では、操作員が、図５に示すパラメータ設定画面５０を介して、図４に示す制御装置８のパラメータ設定部２１に、水中移動装置５が床面３から壁面４に移動する際の制御パラメータとして、各スラスタの推力の指令値と、水中移動装置５が備える計測器の目標値と許容誤差を設定する。

図５を用いて、具体的な設定項目について説明する。操作員は、パラメータ設定画面５０のスラスタ推力指令値設定部５１に、水中移動装置５の浮上時、回転時、及び接面時における、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力の指令値５２〜５４を、それぞれ設定する。水中移動装置５の浮上時とは、水中移動装置５が床面３から浮上するときのことであり、回転時とは、水中移動装置５の下面が床面３から壁面４を向くように回転、すなわち、水中移動装置５のピッチ角またはロール角が変化するように回転（以下、単に「回転」と称する）するときのことであり、接面時とは、水中移動装置５が壁面４へ接面するときのことである。

さらに、操作員は、パラメータ設定画面５０の計測器目標値設定部５５に、水中移動装置５が壁面４に接面する位置の水深、水中移動装置５が水中で浮上したホバリング時の水中移動装置５のロール角、ピッチ角、ヨー角、及び水中移動装置５と壁面４との距離のそれぞれについて、目標値５６ａ、５７ａ、５８ａ、５９ａ、及び６０ａと、許容誤差５６ｂ、５７ｂ、５８ｂ、５９ｂ、及び６０ｂを設定する。水中移動装置５と壁面４との距離の目標値６０ａは、できるだけ小さいほうが好ましい。これは、壁面４からできるだけ近い位置で水中移動装置５を回転させて壁面４へ接面させるためである。

また、操作員は、水中移動装置５が回転動作中に壁面４への接面動作を開始するときの角度（接面開始角度６１）を、計測器目標値設定部５５に設定する。本実施例では、水中移動装置５が、ピッチ角が変化するように回転して壁面４へ接面するので、接面開始角度６１は、水中移動装置５のピッチ角である。水中移動装置５が、ロール角が変化するように回転して壁面４へ接面する場合には、接面開始角度６１は、水中移動装置５のロール角とする。いずれの場合も、接面開始角度６１は、９０度未満である。

パラメータ設定画面５０を介して制御装置８（図４を参照）のパラメータ設定部２１に設定された各制御パラメータは、データ送受信部２２が、データ記憶部２３と水中移動装置５の制御ボックス１２のデータ送受信部２４とに送る。データ送受信部２４は、送られた各制御パラメータを、スラスタ制御部２５、回転動作判断部２６、壁面接面判断部２７、及びクローラ制御部２８に送る。

次に、図３に示す準備位置設定工程１１０では、クローラ用コントローラ１１ａは、パラメータ設定工程１００で設定したヨー角の目標値５９ａと、水中移動装置５と壁面４との距離の目標値６０ａとに従って、クローラ１３ａ、１３ｂを制御する指令を発する。制御装置８は、クローラ用コントローラ１１ａの指令を、データ送受信部２２と制御ボックス１２内のデータ送受信部２４を介して、クローラ制御部２８に送る。クローラ制御部２８は、この指令をクローラ用サーボアンプ２９ａ、２９ｂに送り、左右のクローラ１３ａ、１３ｂを制御して、水中移動装置５に床面３を走行させる。そして、クローラ制御部２８は、後述する方法で測定した水中移動装置５のヨー角θと、水中移動装置５と壁面４との距離ｌを、設定した目標値５９ａ、６０ａ（許容誤差５９ｂ、６０ｂを考慮した目標値）の範囲内に収まるように左右のクローラ１３ａ、１３ｂを制御して、水中移動装置５の位置を定める。

図６Ａは、このようにして位置（ヨー角θと、壁面４との距離ｌ）を定めた水中移動装置５を示している。水中移動装置５は、前面が壁面４に面している。この水中移動装置５の位置を定める際のヨー角θの測定は、水中移動装置５の前面に備えられたソナー１８ａ、１８ｂを用いて行う。なお、上述したように、壁面４からできるだけ近い位置で水中移動装置５を回転させて壁面４へ接面させるために、水中移動装置５と壁面４との距離の目標値６０ａをできるだけ小さい値にするのが好ましい。従って、水中移動装置５と壁面４との距離ｌも、できるだけ小さくするのが好ましい。

図７Ａと図７Ｂの水中移動装置５の上面図に示すように、ソナー１８ａ、１８ｂ間の距離をｌ_ｄ、ソナー１８ａが測定した壁面４との距離をｌ_１、ソナー１８ｂが測定した壁面４との距離をｌ_２とすると、ヨー角θは式（１）で求められる。

本実施例では、ヨー角θの原点及び符号は、図７Ａに示すように、壁面４に平行な角度がゼロ度であり、上から見て時計周りをプラスとするように定めた。しかし、ヨー角θの原点及び符号は、これに限るものではなく、任意に定義することができる。式（１）も、ヨー角θの原点及び符号の定義に応じて、変更することができる。

水中移動装置５と壁面４との距離ｌは、ヨー角θと、ソナー１８ａの測定値ｌ_１と、ソナー１８ｂの測定値ｌ_２とを用いて、式（２）で求められる。

ただし、水中移動装置５と壁面４との距離ｌは、水中移動装置５におけるソナー１８ａ、１８ｂの左右方向の中心の位置と壁面４との距離とした。また、図示しないが、ソナー１８ａ、１８ｂの代わりに超音波のアレイセンサを用いて任意の２素子を使用して、上記の式（１）、式（２）の値を求めることも可能である。

次に、図３に示す垂直移動工程１２０では、スラスタ用コントローラ１１ｂは、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄを制御する指令を発する。制御装置８は、スラスタ用コントローラ１１ｂの指令を、データ送受信部２２と制御ボックス１２内のデータ送受信部２４を介して、スラスタ制御部２５に送る。スラスタ制御部２５は、この指令を垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ〜３０ｄに送り、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄを駆動して、水中移動装置５が床面３から浮上するような推力を発生させる。

図６Ｂは、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄが発生した推力４１ａ〜４１ｄを示している。図中の推力４１ａ〜４１ｄの矢印は、推力を付加する方向を示している。垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄは、推力４１ａ〜４１ｄをそれぞれ発生する。推力４１ａ〜４１ｄにより、水中移動装置５は床面３からの浮上を開始する。

水中移動装置５は、最終的に、パラメータ設定工程１００で設定した浮上時における垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力の指令値５２に基づく推力４２ａ〜４２ｄで、パラメータ設定工程１００で設定した水中移動装置５が壁面４に接面する位置の水深の目標値５６ａまで浮上する。

図６Ｃは、水中移動装置５が、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力４２ａ〜４２ｄにより、水深の目標値５６ａまで浮上した状態を示している。

なお、水中重量が中性浮力に調整されている水中移動装置の場合には、垂直移動工程１２０で、水中移動装置５は、水面から水深の目標値５６ａまで沈む。

次に、図３に示すホバリング工程１３０では、スラスタ制御部２５は、水中移動装置５の壁面４に接面する位置の水深、水中移動装置５が水中で浮上したホバリング時の水中移動装置５のロール角、ピッチ角、ヨー角θ、及び水中移動装置５と壁面４との距離ｌのそれぞれが、パラメータ設定工程１００で設定した目標値５６ａ、５７ａ、５８ａ、５９ａ、及び６０ａ（許容誤差５６ｂ、５７ｂ、５８ｂ、５９ｂ、及び６０ｂを考慮した目標値）の範囲内に収まるように、水中移動装置５の水中での位置と姿勢を定める。

水中移動装置５の水深、ロール角、及びピッチ角は、それぞれ、制御ボックス１２内の水深計３２、傾斜計ｘ３３ａ、及び傾斜計ｙ３３ｂで測定する。水中移動装置５のヨー角θと壁面４との距離ｌは、上述したように、ソナー１８ａ、１８ｂの測定値から求める。

スラスタ制御部２５は、上記の計測器の測定値と測定値から求めた値のそれぞれがパラメータ設定工程１００で設定した目標値５６ａ〜６０ａ（許容誤差５６ｂ〜６０ｂを考慮した目標値）の範囲内に収まるように、垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ〜３０ｄと水平スラスタ用サーボアンプ３１ａ、３１ｂに推力の指令を送り、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力を調整する。スラスタ制御部２５は、フィードバック制御を行い、計測器の測定値と測定値から求めた値が目標値５６ａ〜６０ａ（許容誤差５６ｂ〜６０ｂを考慮した目標値）の範囲内に収まるように、水中移動装置５の位置と姿勢を定め、水中移動装置５を水中で浮上させる。

計測器の測定値と測定値から求めた値が目標値５６ａ〜６０ａ（許容誤差５６ｂ〜６０ｂを考慮した目標値）の範囲内に収まっているか否かの判定は、スラスタ制御部２５が行わなくてもよい。すなわち、スラスタ制御部２５と各計測器との間にホバリング判定部を設けて、ホバリング判定部でこの判定を行ってもよい。

ホバリング工程１３０が終了すると、回転動作実行判定工程１４０に移行する。ホバリング工程１３０と回転動作実行判定工程１４０の詳細については、図８を用いて説明する。

図８は、ホバリング工程１３０と回転動作実行判定工程１４０の詳細を示す図である。初めにホバリング工程１３０の詳細について説明し、次に回転動作実行判定工程１４０の詳細について説明する。

ロール角確認工程１３１ａにおいて、スラスタ制御部２５は、傾斜計ｘ３３ａで測定した水中移動装置５のロール角の測定値αが目標値α_０から許容誤差Δαの範囲内に収まっているかどうかを判定する。測定値αが目標値α_０から許容誤差Δαの範囲内に収まっていない場合は、垂直スラスタ制御工程１３１ｂに移行する。

垂直スラスタ制御工程１３１ｂでは、スラスタ制御部２５は、（測定値α−目標値α_０）の値と許容誤差Δαの値との差に応じて、垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ〜３０ｄに指令を送り、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力を変更する。このとき、水中移動装置５の右側にある垂直スラスタ１５ａと１５ｃの推力を互いに同じ割合で変更し、水中移動装置５の左側にある垂直スラスタ１５ｂと１５ｄの推力を互いに同じ割合で変更する。そして、垂直スラスタ１５ａ、１５ｃと垂直スラスタ１５ｂ、１５ｄとは、推力の変更方向が逆方向である。垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力の変更は、測定値αと目標値α_０との差が許容誤差Δα以下になるまで行う。

ロール角の測定値αが目標値α_０から許容誤差Δαの範囲内に収まっていれば、すなわち、測定値αと目標値α_０との差が許容誤差Δα以下であれば、ピッチ角確認工程１３２ａに移行する。

ピッチ角確認工程１３２ａにおいて、スラスタ制御部２５は、傾斜計ｙ３３ｂで測定した水中移動装置５のピッチ角の測定値βが目標値β_０から許容誤差Δβの範囲内に収まっているかどうかを判定する。測定値βが目標値β_０から許容誤差Δβの範囲内に収まっていない場合は、垂直スラスタ制御工程１３２ｂに移行する。

垂直スラスタ制御工程１３２ｂでは、スラスタ制御部２５は、（測定値β−目標値β_０）の値と許容誤差Δβの値との差に応じて、垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ〜３０ｄに指令を送り、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力を変更する。このとき、水中移動装置５の前側にある垂直スラスタ１５ａと１５ｂの推力を互いに同じ割合で変更し、水中移動装置５の後側にある垂直スラスタ１５ｃと１５ｄの推力を互いに同じ割合で変更する。そして、垂直スラスタ１５ａ、１５ｂと垂直スラスタ１５ｃ、１５ｄとは、推力の変更方向が逆方向である。垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力の変更は、測定値βと目標値β_０との差が許容誤差Δβ以下になるまで行う。

ピッチ角の測定値βが目標値β_０から許容誤差Δβの範囲内に収まっていれば、すなわち、測定値βと目標値β_０との差が許容誤差Δβ以下であれば、水深確認工程１３３ａに移行する。

水深確認工程１３３ａにおいて、スラスタ制御部２５は、水深計３２で測定した水中移動装置５の水深の測定値ｈが目標値ｈ_０から許容誤差Δｈの範囲内に収まっているかどうかを判定する。測定値ｈが目標値ｈ_０から許容誤差Δｈの範囲内に収まっていない場合は、垂直スラスタ制御工程１３３ｂに移行する。

垂直スラスタ制御工程１３３ｂでは、スラスタ制御部２５は、（測定値ｈ−目標値ｈ_０）の値と許容誤差Δｈの値との差に応じて、垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ〜３０ｄに指令を送り、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力を変更する。このとき、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力を互いに同じ割合で変更する。垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力の変更は、測定値ｈと目標値ｈ_０との差が許容誤差Δｈ以下になるまで行う。

水深の測定値ｈが目標値ｈ_０から許容誤差Δｈの範囲内に収まっていれば、すなわち、測定値ｈと目標値ｈ_０との差が許容誤差Δｈ以下であれば、ヨー角確認工程１３４ａに移行する。

ヨー角確認工程１３４ａにおいて、スラスタ制御部２５は、ソナー１８ａ、１８ｂ間の距離ｌ_ｄと、ソナー１８ａが測定した壁面４との距離ｌ_１と、ソナー１８ｂが測定した壁面４との距離ｌ_２とから、式（１）を用いてヨー角θを求める。そして、求めたヨー角θが目標値θ_０から許容誤差Δθの範囲内に収まっているかどうかを判定する。求めたヨー角θが目標値θ_０から許容誤差Δθの範囲内に収まっていない場合は、水平スラスタ制御工程１３４ｂに移行する。

水平スラスタ制御工程１３４ｂでは、スラスタ制御部２５は、（求めたヨー角θ−目標値θ_０）の値と許容誤差Δθの値との差に応じて、水平スラスタ用サーボアンプ３１ａ、３１ｂに指令を送り、水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力を変更する。このとき、水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力を互いに同じ割合で変更する。ただし、水平スラスタ１６ａと水平スラスタ１６ｂとは、推力の変更方向が逆方向である。水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力の変更は、求めたヨー角θと目標値θ_０との差が許容誤差Δθ以下になるまで行う。

求めたヨー角θが目標値θ_０から許容誤差Δθの範囲内に収まっていれば、すなわち、求めたヨー角θと目標値θ_０との差が許容誤差Δθ以下であれば、壁面間距離確認工程１３５ａに移行する。

壁面間距離確認工程１３５ａにおいて、スラスタ制御部２５は、ソナー１８ａが測定した壁面４との距離ｌ_１と、ソナー１８ｂが測定した壁面４との距離ｌ_２と、求めたヨー角θとから、式（２）を用いて、水中移動装置５と壁面４との距離ｌ（壁面間距離ｌ）を求める。そして、求めた壁面間距離ｌが目標値ｌ_０から許容誤差Δｌの範囲内に収まっているかどうかを判定する。求めた壁面間距離ｌが目標値ｌ_０から許容誤差Δｌの範囲内に収まっていない場合は、水平スラスタ制御工程１３５ｂに移行する。

水平スラスタ制御工程１３５ｂでは、スラスタ制御部２５は、（求めた壁面間距離ｌ−目標値ｌ_０）の値と許容誤差Δｌの値との差に応じて、水平スラスタ用サーボアンプ３１ａ、３１ｂに指令を送り、水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力を変更する。このとき、水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力を互いに同じ割合で同じ方向に変更する。水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力の変更は、求めた壁面間距離ｌと目標値ｌ_０との差が許容誤差Δｌ以下になるまで行う。もちろん、工程１３１ｂ〜１３５ｂにおいて、それぞれ測定値と目標値との差が無くなるまで各スラスタの制御を行ってもよい。

求めた壁面間距離ｌが目標値ｌ_０から許容誤差Δｌの範囲内に収まっていれば、すなわち、求めた壁面間距離ｌと目標値ｌ_０との差が許容誤差Δｌ以下であれば、回転動作実行判定工程１４０に移行する。

なお、以上のホバリング工程１３０において、ロール角確認工程１３１ａとピッチ角確認工程１３２ａの順序は、逆でもよい。

回転動作判定工程１４０では、回転動作判断部２６は、新たに測定した傾斜計ｘ３３ａ、傾斜計ｙ３３ｂ、水深計３２、及びソナー１８ａ、１８ｂの測定値と測定値から求めた値に対して、ホバリング工程１３０の各工程１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａ、１３５ａで行った判定を再度行う。回転動作判断部２６は、この判定を再度行うことにより、これらの測定値と測定値から求めた値が目標値からの許容誤差の範囲内に収まっていることを確認する。

各計測器の測定値と測定値から求めた値が目標値からの許容誤差の範囲内に収まっていない場合は、工程１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａ、１３５ａのうち、範囲に収まっていない測定値または測定値から求めた値についての工程へ移行し、移行した工程からホバリング工程１３０をやり直す。範囲に収まっていない測定値または測定値から求めた値が複数存在する場合は、これらの測定値または測定値から求めた値についての工程のうち最も先に行う工程へ移行し、移行した工程からホバリング工程１３０をやり直す。

全ての測定値と測定値から求めた値が許容誤差の範囲内に収まっている場合は、回転動作判断部２６は、水中移動装置５のホバリングが安定しており、水中移動装置５が壁面４に接面するための回転動作の実行が可能であると判断する。そして、回転動作判断部２６は、スラスタ制御部２５に、水中移動装置５の回転動作を開始する指令を送信し、回転動作工程１５０（図３参照）に移行する。

図３に示す回転動作工程１５０では、スラスタ制御部２５は、パラメータ設定工程１００で設定した回転時における垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力の指令値５３を、垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ〜３０ｄと水平スラスタ用サーボアンプ３１ａ、３１ｂに送り、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力を変更する。この推力の変更により、水中移動装置５は、回転動作を開始する。

図６Ｄは、水中移動装置５が、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力４３ａ〜４３ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力４４ａ、４４ｂにより、回転しているところを示す図である（水平スラスタ１６ｂの推力４４ｂは図示せず）。水中移動装置５は、前面が壁面４に面しているので、前側にある（壁面４に近い位置にある）垂直スラスタ１５ａ、１５ｂの推力４３ａ、４３ｂは、推力４２ａ、４２ｂと同方向の上向きであり、後側にある（壁面４から遠い位置にある）垂直スラスタ１５ｃ、１５ｄの推力４３ｃ、４３ｄは、推力４２ｃ、４２ｄと逆方向の下向きである。

垂直スラスタ１５ｃ、１５ｄが推力の向きを上向きから下向きに反転させるときには、垂直スラスタ１５ｃ、１５ｄの推力の大きさは、減少していき、一時的にゼロになって増加していく。垂直スラスタ１５ｃ、１５ｄの推力が減少している間に、水中移動装置５は、水中重量により落下してしまうおそれがある。回転動作中の水中移動装置５の落下を防ぐために、スラスタ制御部２５は、水平スラスタ１６ａ、１６ｂに、水中移動装置５が上昇する方向の推力４４ａ、４４ｂを発生させ、水中移動装置５に上昇する方向の推力を与える。

水中移動装置５が回転動作を開始すると、壁面接面実行判定工程１６０に移行する。なお、水中移動装置５の回転動作中でも、傾斜計ｙ３３ｂは、水中移動装置５のピッチ角６５（図６Ｄを参照）を測定する。

壁面接面実行判定工程１６０では、壁面接面判断部２７は、回転動作中の水中移動装置５のピッチ角６５を監視して、ピッチ角６５がパラメータ設定工程１００で設定した接面開始角度６１に達したかどうかを判定する。ピッチ角６５が接面開始角度６１に達すると、壁面接面判断部２７は、スラスタ制御部２５に壁面４への接面を開始する指令を送る。スラスタ制御部２５は、壁面４への接面を開始する指令を壁面接面判断部２７から受け取ると、壁面接面工程１７０に移行する。上述したように、接面開始角度６１は９０度未満であるので、水中移動装置５は、下面を壁面４に向ける前（下面と壁面４が平行になる前）に、壁面４への接面を開始する。

なお、水中移動装置５が、ロール角が変化するように回転して壁面４へ接面する場合には、壁面接面実行判定工程１６０において、ロール角がパラメータ設定工程１００で設定した接面開始角度６１に達したかどうかを判定する。

壁面接面工程１７０では、スラスタ制御部２５は、パラメータ設定工程１００で設定した接面時における垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力の指令値５４を、垂直スラスタ用サーボアンプ３０ａ〜３０ｄと水平スラスタ用サーボアンプ３１ａ、３１ｂに送り、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力を変更する。この推力の変更により、水中移動装置５は、回転しながら壁面４へ向かって並進し、壁面４への接面動作を開始する。

図６Ｅは、水中移動装置５が、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力４５ａ〜４５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力４６ａ、４６ｂにより、回転しながら壁面４へ接面しているところを示す図である（水平スラスタ１６ｂの推力４６ｂは図示せず）。図６Ｅに示すように、垂直スラスタ１５ａ、１５ｂの推力４５ａ、４５ｂは、図６Ｄに示した推力４３ａ、４３ｂとは逆向きに指令値５４の値を目指して加速中であり、垂直スラスタ１５ｃ、１５ｄの推力４５ｃ、４５ｄは、図６Ｄに示した推力４３ｃ、４３ｄと同じ向きであり、指令値５４の値に達している。水中移動装置５は、下面が床面３から壁面４を向くように回転しながら、壁面４へ向かって並進し、壁面４に接面しようとしている。水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力４６ａ、４６ｂは、水中移動装置５の落下を防ぐためのもので、図６Ｄに示した推力４４ａ、４４ｂと同じように、水中移動装置５が上昇する方向の推力である。水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力４６ａ、４６ｂは、推力４４ａ、４４ｂと同程度または大きくすることが望ましい。

図６Ｆは、水中移動装置５が、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力４７ａ、４７ｂ、４５ｃ、４５ｄと水平スラスタ１６ａ、１６ｂの推力４６ａ、４６ｂにより、壁面４へ接面するところを示す図である（水平スラスタ１６ｂの推力４６ｂは図示せず）。図６Ｆに示すように、垂直スラスタ１５ａ、１５ｂの推力４７ａ、４７ｂは、指令値５４の値に達しており、水中移動装置のピッチ角６５はほぼ９０度に達しており、水中移動装置５は、わずかな並進移動で壁面４に接面する状態である。ここで、水中移動装置５のピッチ角６５が９０度に達したときに、垂直スラスタ１５ａ、１５ｂの推力４７ａ、４７ｂが指令値５４に達していない場合でも、水中移動装置５と壁面４との距離はわずかであり、水中移動装置５が接面することは可能である。

図６Ｇは、水中移動装置５が壁面４に接面している状態を示す図である。水中移動装置５は、垂直スラスタ１５ａ〜１５ｄの推力４７ａ、４７ｂ、４５ｃ、４５ｄにより壁面４に押し付けられて、壁面４に接面している。接面したときに水平スラスタ１６ａ、１６ｂは駆動を停止する。このようにして、水中移動装置５は、壁面４に安定して接面することができる。ここで、水中移動装置５は、垂直スラスタ１５ａ、１５ｂの推力４７ａ、４７ｂが指令値５４に達していない場合でも、壁面４に接面することが可能である。

以上説明した回転動作工程１５０、壁面接面実行判定工程１６０、及び壁面接面工程１７０は、連続して行われる一連の工程であり、水中移動装置５は、水中に浮上している状態（ホバリング状態）から回転しながら壁面４へ向かって並進し、壁面４に接面する。

なお、上述したように、水中移動装置５は、壁面４からできるだけ近い位置で回転して壁面４へ接面するのが好ましい。そこで、水中移動装置５は、図６Ａ〜図６Ｃにおいて壁面４との距離ｌをゼロとし、前面（または一方の側面）が壁面４に接触した状態から回転し始めることもできる。水中移動装置５が、前面（または一方の側面）が壁面４に接触した状態から回転し始めるようにするには、パラメータ設定工程１００で設定する水中移動装置５と壁面４との距離の目標値６０ａをゼロとすればよい。このようにすると、水中移動装置５は、壁面４に向かって並進する必要がほとんどなく、より安定して壁面４に接面することができる。

本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種種の変形が可能であり、それらも本発明に含まれることはいうまでもない。上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。

また、各図面において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを記載しており、必ずしも製品として必要な全ての制御線や情報線を記載しているとは限らない。

１…燃料プール、２…燃料ラック、３…床面、４…壁面、５…水中移動装置、６…ケーブル、７…ケーブルドラム、８…制御装置、９…電源、１０…表示装置、１１ａ…クローラ用コントローラ、１１ｂ…スラスタ用コントローラ、１２…制御ボックス、１３ａ、１３ｂ…クローラ、１４…浮力体、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ…垂直スラスタ、１６ａ、１６ｂ…水平スラスタ、１７…水中カメラ、１８ａ、１８ｂ…ソナー、２１…パラメータ設定部、２２…データ送受信部、２３…データ記憶部、２４…データ送受信部、２５…スラスタ制御部、２６…回転動作判断部、２７…壁面接面判断部、２８…クローラ制御部、２９ａ、２９ｂ…クローラ用サーボアンプ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ…垂直スラスタ用サーボアンプ、３１ａ、３１ｂ…水平スラスタ用サーボアンプ、３２…水深計、３３ａ…傾斜計ｘ、３３ｂ…傾斜計ｙ、３４…映像取得部、５０…パラメータ設定画面、５１…スラスタ推力指令値設定部、５５…計測器目標値設定部。

Claims

水中での移動と物体の壁面と床面での移動とが可能な水中移動装置であって、
前記水中移動装置を回転動作と並進動作の少なくとも一方により移動させるための推力を発生する推力発生部と、
前記推力発生部を制御する制御部と、
前記水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角を求める計測器と、
前記水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角が予め設定した範囲内に収まっているかどうかを確認する回転動作判断部と、
前記水中移動装置のピッチ角またはロール角が予め設定した角度に達したかどうかを判定する壁面接面判断部と、を備え、
前記回転動作判断部が、前記水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角が予め設定した範囲内に収まっていることを確認したら、前記制御部は、前記水中移動装置がピッチ角またはロール角が変化する回転をするように前記推力発生部を制御し、
前記壁面接面判断部が、前記水中移動装置のピッチ角またはロール角が予め設定した角度に達したと判定したら、前記制御部は、前記水中移動装置が前記回転をしながら並進するように前記推力発生部を制御する、
ことを特徴とする水中移動装置。
前記壁面接面判断部が、前記水中移動装置のピッチ角またはロール角が予め設定した角度に達したと判定したら、前記制御部は、前記水中移動装置が前記回転をしながら並進するように前記推力発生部を制御して、前記水中移動装置を前記物体の壁面に接面させる請求項１に記載の水中移動装置。
前記制御部は、前記水中移動装置が前記回転をするように前記推力発生部を制御するときと前記水中移動装置が前記回転をしながら並進するように前記推力発生部を制御するときの少なくとも一方のときに、前記水中移動装置が上昇する方向の推力を前記推力発生部に発生させる請求項１に記載の水中移動装置。
水中での移動と物体の壁面と床面での移動とが可能な水中移動装置の移動方法であって、
水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角が予め設定した範囲内に収まるように、前記水中移動装置を制御するホバリング工程と、
前記水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角が予め設定した範囲内に収まっていることを確認する回転動作実行判定工程と、
前記回転動作実行判定工程で、前記水中移動装置の位置、ピッチ角、ロール角、及びヨー角が予め設定した範囲内に収まっていることを確認した後で、前記水中移動装置にピッチ角またはロール角が変化する回転をさせる回転動作工程と、
前記水中移動装置のピッチ角またはロール角が予め設定した角度に達したかどうかを判定する壁面接面実行判定工程と、
前記壁面接面実行判定工程で、前記水中移動装置のピッチ角またはロール角が予め設定した角度に達したと判定した後で、前記回転をさせながら前記水中移動装置を並進させる壁面接面工程と、
を備えることを特徴とする水中移動装置の移動方法。
前記壁面接面工程では、前記回転をさせながら前記水中移動装置を並進させ、前記水中移動装置を前記物体の壁面に接面させる請求項４に記載の水中移動装置の移動方法。
前記回転動作工程と前記壁面接面工程の少なくとも一方では、前記水中移動装置に上昇する方向の推力を与える請求項４に記載の水中移動装置の移動方法。